蒸気研磨によるFDM部品の表面仕上げの改善

寄稿者: 唐磊、王玲

熱溶解積層法は、最も広く使用されている積層造形技術の 1 つです。 FDM テクノロジーは、固定具のない成形プラットフォーム上に薄いシートの形で半溶融熱可塑性材料を堆積させることにより、層ごとに部品を製造します。製造工程では、部品材料とサポート材料が一緒に印刷され、部品が完成すると、サポート材料は手動または化学的な方法で部品から除去されます。 FDM プロセスは、実装が容易、材料消費量が少ない、サポートの除去が容易、機能部品を製造できるなどの利点があるため、航空宇宙、自動車、バイオメディカルなどの多くの分野で広く使用されています。

しかし、他の積層造形プロセスと比較すると、FDM プロセスには、印刷された部品の表面が粗いことと、幾何学的公差が大きいという問題があります。既存の研究では、FDM 印刷プロセスの層の厚さ、印刷方向、ノズルの直径、配置速度が印刷サンプルの表面仕上げに影響し、その中でも層の厚さの影響が最も大きいことがわかっています。第二に、部品の断面形状、傾斜面の角度、隣接する面の重なりも、部品の表面仕上げにある程度影響します。

この研究の主な目的は、より安価なアセトンを使用した蒸気研磨法を使用して、FDM 部品の表面仕上げを改善することでした。コンポーネントの形状、密度、化学物質への暴露時間などのパラメータが、選択したコンポーネントの表面仕上げと寸法精度に与える影響を調査します。

研究者たちはまず、同じ体積を持つ立方体、円柱、半球という3つの異なる基本的な幾何学的形状を選択しました。次に、印刷プロセス中に、密度の異なる 3 つのコンポーネントプロトタイプが製造されました。いずれも厚さは 0.254 mm、印刷方向は 0° でした。化学処理の前に、部品の初期表面仕上げと正確な寸法を測定します。化学処理中、部品は 10 分間冷蔵され、その後揮発性アセトン蒸気にさらし、冷蔵室で冷却して部品の表面に流れ出た物質を固定します。部品は化学物質に 25 秒、30 秒、35 秒間さらされました。走査型電子顕微鏡分析により、FDM 部品の表面は長時間の露出による材料劣化によって劣化していることが判明しました。図 1 は、変性した FDM 部品の表面 SEM 画像を示しています (最大露光時間 35 秒)。実験的な比較を通じて、FDM 部品の最適な表面処理パラメータが分析および決定され、寸法の変化を無視または無視できる場合、より優れた表面仕上げが得られます。図2は実験で使用した直交テストパラメータ表です。

図 1 化学物質への曝露時間が a) 25 秒、b) 30 秒、c) 35 秒の FDM 部品の表面顕微鏡写真表 1 直交テストパラメータ制御実験結果によると、選択した 3 つのパラメータのうち、化学物質への曝露時間のみが部品の表面仕上げに大きな影響を与え、部品の形状と密度が表面仕上げに与える影響は大きくありません。同時に、この研究では、化学物質への曝露時間が長くなるにつれて、部品の表面仕上げが継続的に向上することがわかりました。この現象の主な理由は、化学物質への曝露時間が長くなると、材料が溶解-還流-凝固サイクルを完了するのに十分な時間を持つようになるためです。図 3 の部品のクロスファイバービューは、FDM 部品をアセトン蒸気にさらすと材料が再流動し、最終的に表面に微細構造層が形成されることを示しています。図 3 からわかるように、FDM 部品の表面では、化学物質への曝露時間が長くなるにつれてリフロー層の厚さが増加します。暴露時間が長くなるにつれて蒸気浸透の深さが増し始めるため、より多くの材料がリフローし始め、その結果、リフロー層の厚さが厚くなります。ただし、暴露時間が長すぎると、機械的特性（寸法精度、引張強度、圧縮強度、伸び、硬度など）に制御できない影響が生じる可能性があります。

図 2 化学蒸気環境にさらした後の FDM 部品の横断面顕微鏡写真 (a) 0 秒、b) 15 秒、c) 20 秒。リフローメカニズムの存在により、FDM プロセスにおける 2 つの隣接する層間の段差は、図 4 に示すように、化学蒸気環境にさらしている間に完全に埋められています。実験前後の部品表面の粗さ分布と顕微鏡写真。

図3 実験前(a)と実験後(b)のFDM部品の表面粗さ分布と顕微鏡画像上記の実験結果に基づいて、研究者らは最終的に表面粗さとアセトン蒸気研磨プロセスのさまざまなパラメータとの関係について経験式を示し、その正確性を検証しました。

この論文では、主に化学処理法による FDM 部品の表面仕上げの改善の実現可能性について研究しています。結果は、化学蒸気研磨プロセスにより、寸法特性に影響を与えることなく、FDM 印刷部品の表面仕上げをナノメートルレベルまで改善できることを示しています。研究者らは、部品の形状、密度、化学物質への曝露時間などのパラメータから最適な処理条件を見つけようとしましたが、結果は、化学物質への曝露時間のみが部品の表面仕上げに大きな影響を与えることを示しました。化学物質への曝露によって引き起こされる材料のリフロー機構により、材料の表面に薄い層が形成され、材料の表面仕上げが効果的に改善されます。実験結果に基づいて、研究者らは表面仕上げと試験パラメータ間の経験式をまとめ、予測値は実験値と非常に一致していました。

参考文献:
Singh, R., Singh, S., Singh, IP, Fabbrocino, F., & Fraternali, F. (2017). 蒸気平滑化プロセスによる FDM 部品の表面仕上げ改善の調査。複合材料パート B: エンジニアリング、111、228–234

寄稿者: 唐磊、王玲寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

蒸気研磨によるFDM部品の表面仕上げの改善

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